浅谈4G网络的发展及应用.docx
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浅谈4G网络的发展及应用
前言
随着3G在我国的商用以来，用户在使用手机电视和视频通话方面，出现信号不稳，视频通话效果不好等问题。
人们开场期望4G能够解决这些问题，能够提供更高的数据速率，更大的容量和带宽。
从而使4G比3G更接近个人通信，在技术上比3G更完善。
所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。
4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能到达20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线效劳的要求。
而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的效劳。
此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
很明显，4G有着不可比拟的优越性。
第1章3G与4G的比拟
1.14G时代的到来
正当第三代移动通信〔3G〕正在国全面铺开的时候，比3G提速十倍以上的新一代移动通信技术TD—LTE，在世博会上闪亮登场：
高清视频通话，实时展会直播，高速移动上网等多种移动网络效劳，不仅实现了对5.28平方公里的世博园区的完整覆盖，而且还实现了黄浦江水面以及信息通信馆、世博中心等11个重要场馆室覆盖。
在这个全球首个“准4G〞TD—LTE规模演示网获得成功之后，中国移动又方案下半年在国三个城市进展扩大规模的实验试用。
引人注目的是，TD—LTE已聚集了大批中外企业，如大唐、华为、中兴、贝尔、摩托罗拉，以及创毅视讯、海思等国外网络设备商与芯片厂商。
种种迹象说明，3G尚在发力，4G已悄然逼近，且伸手可及。
由于目前3G采用很多先进性的技术，将来4G在很大程度上进一步融合3G现有的技术。
比方，智能天线，软件无线电，联合检测，功率控制等。
虽然4G继承了3G的许多技术，但是在指标和技术方面有诸多区别。
1.23G与4G的性能指标
3G提供了高速数据，在图象传输上，其静止传输速率到达2Mbps，高速移动时的传输速率到达114Kbps，慢速移动时的传输速率到达384kbps，带宽可以到达5MHz以上UMT采用WCDMA技术，利用正教码区分用户，有FDD和TDD两种双工方式。
4G的性能指标是：
1.数据速率从2Mbps到100Mpbs。
2.容量到达第3代系统的5～10倍，传输质量相当于甚至优于第3代系统。
广带局域网应能与宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式（ATM）兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网。
3.条件一样时小区覆盖围等于或大于第3代系统。
4.具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量。
5.网络的每比特本钱要比第3代低。
1.33G与4G的技术比照
1.3G的关键技术是CDMA技术，而4G采用的是OFDM技术。
OFDM可以提高频谱利用率，能够抑制CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。
2.在软件无线电方面，4G对3G中的软件无线电技术进展升级，满足4G中无线接入多样化要求，使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。
同时在4G中，实现软切换和硬切换相结合，对3G中的软件无线电根底上通过增加相应的硬件模块，对相应的软件进展升级使他们最终都融合到一起，成为一个统一的标准，实现各种需求的功能。
3.3G网络采用的主要是蜂窝组网，4G采用全数字全IP技术，支持分组交换，将WLAN，Bluetooth等局域网融入广域网中。
在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。
在TD-SCDMA采用智能天线的根底上，对相关的软件和算法加以升级，增加一些接口协议来满足4G的要求。
4.4G系统也使用了许多新技术，包括超和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术等等。
5.在功率控制上，4G比3G要求更加严格，其目的是为了满足高速通信的要求。
不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率，而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。
在3G中，采用切换技术来减少对其它小区的干扰，提高话音质量，不过在4G中，切换技术的应用更加广阔，并朝着软切换和硬切换相结合的方向开展。
1.43G与4G的速度比照
通信委员会的最新研究显示，在使用同样数量频谱（在客户手机于互联网之间传送信息的无线电波）的情况下，下一代移动技术的数据传输能力将是现有3G技术的两倍以上。
传输能力的增强对满足英国迅速增加的移动数据流量来说至关重要，而移动数据流量的增加主要受智能手机和移动宽带数据效劳（如流媒体、电子、信息效劳、地图效劳和社交网络等）增长的带动。
英国从2021年开场采用4G移动通信技术，届时，移动宽带效劳的速度将显著提高——接近目前的ADSL家庭宽带速度。
这一目标有望通过4G技术更为有效地利用频谱而得以局部地实现。
通信委员会的首席技术官斯蒂芬•昂格尔博士指出：
“在频谱数量一样的情况下，4G移动通信技术传输的数据比3G多。
而效率的提高意味着4G网络将能够支持更高的数据速率和更多的用户。
我们的研究说明，早期4G移动网络的标准配置将是现有标准3G网络3.3倍（即4G的频谱效率高出3G230%）。
鉴于此，早期4G网络的用户在下载一段视频时，所使用的时间只有目前3G网络的三分之一。
预计到2021年，这一比率将扩大至5.5倍（450%）。
〞
相关部门在对现有理论预测和实地部署试验进展审核与分析的根底上，进展了上述研究，而这项研究的目的是希望了解在引入4G技术后，频谱效率可能提高的程度。
这些信息为通信办公室的战略频谱管理工作的提供了重要依据。
这项研究分析了多种4G技术，其中包括长期演进（LTE）及LTE后续技术（仍在开发中），如LTEAdvanced。
研究还探讨了新出现的和后继的WiMAX无线技术，这种技术与Wi-Fi类似，但其覆盖围更大，可达数公里。
这项研究显示，尽管通过采用4G技术提高了频谱效率，进而增加了4G网络的容量，但这并缺乏以满足用户对移动数据的需求预期增长。
出了更为有效地利用现有的频谱，还需要更多的频谱，其中局部将通过2021年拍卖800MHz和2.6GHz新频谱获得。
2021将的拍卖将是英国有史以来为移动效劳分派额外频谱而举行的规模最大单次拍卖活动，预计拍卖的频谱数量相当于目前所使用的移动频谱总量的四分之三。
此外，移动网络还需要巧妙的设计，以确保频谱能够得到最有效地利用。
该研究预计，为了满足特定地区的用户需求，更多小基站将会大展身手。
1.54G是什么
速度比3G快10倍以上，让互联网和移动终端融为一体；3G是手机通话为主，附带上网；4G是移动上网为主，附带通话。
“其实叫4G并不太准确，这是一种通俗的说法，4G到目前并没有完整的定义。
〞中兴通讯LTE终端负责人亮告诉记者：
“4G是相对于3G说的，是指第四代移动通信技术，目前国际电联还没有确定统一的标准，但是LTE〔LongTermEvolution〕技术应该是主要的方向。
〞
“世博会推出的TD—LTE被认为是‘准4G’或者3.9G，它的传输速率到达了每秒70兆，大概是现有3G技术的20多倍〞，未来的4G在这个根底上会更快，会超过每秒100兆，乃至1G，能够实现比现在的3G提速几十倍，比拨号上网快几千倍，能够满足几乎所有用户对于无线效劳的要求。
〞
不管未来对4G通信怎样定义，有一点可以肯定：
4G时代将是一个比3G时代更完美的新无线世界，可创造出许多消费者难以想象的应用：
用手机代替卫星传输，实时传输高清晰度视频图像。
在4G时代，用手机下载一部电影也就几十秒的时间，发送时加上几十兆附件非常方便和快捷，而且4G可以实现永远在线而省去拨号的麻烦。
因此，在3G时代，手机还是以通话为主，上网是附带的功能；而到了4G时代，会把宽带互联网搬到手机上，无线宽带的应用将会大行其道，消费者会以移动上网为主，通话功能那么退居其次。
1.64G终端
超大屏幕，视频可实现视频通话、高清电视、在线戏等无线宽带效劳。
4G终端的本质，其实是电脑做小，而不是手机做大。
“4G手机，准确的说是4G终端，与3G、2G时代的手机相比，有了很大的变化〞就好似普通公路变成高速公路了，道宽了，路平了，就需有好车和跑车。
做4G就是修跑道，4G终端就是跑车。
对于消费者关心的价格问题，开场可能贵一些，但随着规模起来，价格会越来越低，等到产业链完善时，本钱会接近3G手机的水平，价格也会和目前3G手机相当。
第2章4G的主要优势与存在缺陷
如果说2G、3G通信对于人类信息化的开展是微缺乏道的话，那么未来的4G网络通信却给了人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。
4G网络通信具有下面的特征：
2.1网络频谱更宽
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。
从移动通信系统数据传输速率作比拟，第一代模拟式仅提供语音效劳；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps最高可达32Kbps；而第三代移动通信系统数据传输速率可到达2Mbps；专家那么预估，第四代移动通信系统可以到达10Mbps至20Mbps，甚至最高可以到达每秒高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度会相当于2021年最新手机的传输速度的1万倍左右。
要想使4G通信到达100Mbps的传输，通信营运商必须在3G通信网络的根底上，进展大幅度的改造和研究，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的蜂窝系统的带宽高出许多。
据研究4G通信的AT&T的执行官们说，估计每个4G信道会占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网路的20倍。
2.2通信更加灵活
从严格意义上说，4G手机的功能，已不能简单划归“机〞的畴，毕竟语音资料的传输只是4G移动的功能之一而已，因此未来4G手机更应该算得上是一只小型电脑了，而且4G手机从外观和式样上，会有更惊人的突破，人们可以想象的是，眼镜、手表、化装盒、旅游鞋，以方便和个性为前提，任何一件能看到的物品都有可能成为4G终端，只是人们还不知应该怎么称呼它。
未来的4G网络通信使人们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。
也许有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼，但是与它据此提供的地图带来的便利和平安相比，这简直可以忽略不计。
2.3兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们承受，不但考虑的它的功能强大外，还应该考虑到现有通信的根底，以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。
因此，从这个角度来看，未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。
2.4实现更高质量的多媒体通信
尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能到达的在覆盖围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体效劳的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信效劳包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信〞。
第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。
总结来说，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及到达高速数据传输的要求。
2.5技术难以实现
尽管4G通信能够给人带来美好的明天，但是别指望立刻就能用上这种技术，据研究这项技术的开发人员而言，要实现4G通信的下载速度还面临着一系列技术问题。
例如，如何保证楼区、山区，及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度等问题。
日本DoCoMo公司表示，为了解决这一问题，公司会对不同编码技术和传输技术进展测试。
另外在移交方面存在的技术问题，使手机很容易在从一个基站的覆盖区域进入另一个基站的覆盖区域时和网络失去联系。
由于第四代无线通信网络的架构相当复杂，这一问题显得格外突出。
不过，行业专家们表示，他们相信这一问题可以得到解决，但需要一定的时间。
2.6容量受到限制
人们对4G通信的印象最深的莫过于它的通信传输速度会得到极大提升，从理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度，比2021年最新手机信息传输速度每秒10KB要快1万多倍，但手机的速度会受到通信系统容量的限制，如系统容量有限，手机用户越多，速度就越慢。
据有关行家分析，4G手时机很难到达其理论速度。
如果速度上不去，4G手机就要大打折。
HeavyReading4G/LTEInsider发布的最新报告显示，在移动网络运营商转向4G技术的同时，他们将不得不采取其他措施来控制无线接入网络〔RAN〕的拥堵状况，从而大大提高网络性能，其中包括更为积极采用政策调控产品。
2.7市场难以消化
有专家预测在10年以后，第三代移动通信的多媒体效劳会进入第三个开展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经根本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统，第三代技术仍然在缓慢地进入市场，到那时整个行业正在消化吸收第三代技术，对于第四代移动通信系统的承受还需要一个逐步过渡的过程。
另外，在过渡过程中，如果4G通信因为系统或终端的短缺而导致延迟的话，那么号称5G的技术随时都有可能威胁到4G的赢利方案，此时4G漫长的投资回收和赢利方案会变得异常的脆弱。
第3章4G网络构造
3.1三层网络构造
4G系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。
基于IP技术的网络构造使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。
4G网络构造可分为三层：
物理网络层、中间环境层、应用网络层。
1.物理网络层提供接入和路由选择功能。
2.中间环境层的功能有网络效劳质量映射、地址变换和完全性管理等。
3.物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使开展和提供新的效劳变得更容易，提供无缝高数据率的无线效劳，并运行于多个频带，这一效劳能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营商和效劳商，提供更大围效劳。
对于人们来说，未来的4G通信确实显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来创造的最复杂的技术系统，确实第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题，大概一点也不会使人们感到意外和奇怪，第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关，并且需要花费好几年的时间才能解决。
3.2物理层
从物理层的传输技术看，虽然在目前LTE、UMB、WiMAX系统设计已经很完善，但在此根底上还需进一步的改造，尤其在多用户层面上。
“目前，4G中的点对点技术将接近理论值，但多用户传输技术还有很大的改进空间，多小区传输技术的差距更大。
〞诸如多用户或多小区之间的协调、干扰的抑制抵消以及无线资源的分配等众多问题，都还没有系统的解决方案。
另外跨层的设计和优化也是需要解决的问题之一。
原先的分层理论需要防止跨层联动的问题，而跨层设计的思想那么恰恰相反，所以这是否是一个可能的开展方向还需进一步讨论。
1.现有网络向着扁平化开展，扁平化构造固然具备显而易见的优势，其中最突出的是简化系统构造和减少延时，但同时也带来很多问题，如基站间的协调与管理。
所以如何动态地感知周围干扰、对资源进展动态的配置，成为扁平化网络构造首先需要解决的问题，针对于这一点，尤肖虎认为无线网络的自组织、自优化将成为未来可能的开展方向。
虽然去年的世界无线电大会指定了4个IMT-Advanced的使用频段，但在全世界围很难找到4个统一的频段。
以3.4GHz～3.6GHz为例，由于中国的该频段已经用于无线卫星的导航业务，使得这一频段的利用非常复杂，并且出现了很多不确定性。
所以提高频谱利用率成为无线领域的重要命题。
同时尤肖虎还提到，不同频段都具有各自的特点，高频段带宽丰富，但是传播衰减较大；低频段传播质量好，但其带宽较为有限。
尤肖虎认为，4G技术在面临多个频段的情况下，能否将这些频段有效地、甚至是动态地利用起来，从而发挥各个频段的优势，也是业界面临的问题和需要努力的方向。
2.小区中心的性能差异在4G中仍将是重大难题。
由于信号存在衰减，离天线越远，频谱利用率越低。
而在现有网络构造中，由于基站处于小区的中心位置，所以当用户在小区边缘时很难充分享受到现有业务。
如何改善小区覆盖的均匀性就成为4G技术面临的挑战。
关于改善小区边缘性能的问题，有人提到了基于Relay和基于分布式天线的两种方式，认为Relay复杂度较低，容易实现，但问题是中继节点离用户较近，提高频谱利用率的可能性也会因此而降低。
相比而言分布式天线的方式复杂度较高，实现上也有一定的困难，但经论证可以显著提高系统容量，并可较好地兼顾传输性能，在一样天线一样发射功率的条件下，小区的频谱利用率可以明显提高。
另外，出于对电磁污染和手机待机时间问题的考虑，手机发射功率已经成为“瓶颈〞问题，分布式天线的方式那么可以降低手机功率，对于此问题的解决也有很大助益。
第4章4G网络中的关键技术
4.1OFDM
OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。
其主要原理是：
将待传输的高速串行数据经串并变换，变成在子信道上并行传输的低速数据流，再用相互正交的载波进展调制，然后叠加一起发送。
接收端用相干载波进展相干接收，再经并串变换恢复为原高速数据。
OFDM技术的有很多优点：
可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率；适合高速数据传输；抗衰落能力强；抗码间干扰（ISI）能力强。
4.2软件无线电
软件无线电（SDR）是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式构造的技术。
其中心思想是使宽带模数转换器（A/D）及数模转换器（D/A）等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。
尽可能多地用软件来定义无线功能。
其软件系统包括各类无线信令规那么与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等。
4.3智能天线技术（SA）
智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。
智能天线成形波束可在空间域抑制交互干扰，增强特殊围想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。
其根本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法进展合并，实现上行波束赋形。
4.4多输入多输出（MIMO）技术
多输入多输出技术（MIM0）是指在基站和移动终端都有多个天线。
MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。
空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。
空间分集有发射分集和接收分集两类。
基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。
MIM0技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖围。
4.5基于IP的核心网
4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。
核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。
核心网具有开放的构造，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。
IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入终究采用何种方式和协议。
在4G通信系统中将取代IPv4协议，主要采用全分组方式IPv6技术，IPv6具有许多的优点，如：
有巨大的地址空间；支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式；能够提供不同水平的效劳质量；更具有移动性。
第5章5大4G标准
国际电信联盟（ITU）已经将WiMax、HSPA+、LTE正式纳入到4G标准里，加上之前就已经确定的LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced这两种标准，目前4G标准已经到达了5种。
5.1LTE
LTE（LongTermEvolution，长期演进）工程是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
主要特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，相对于3G网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：
部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。
并且这一标准也是3GPP长期演进（LTE）工程，是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发工程，其演进的历史如下：
GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA-->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+-->LTE长期演进。
GSM：
9K-->GPRS：
42K-->EDGE：
172K-->WCDMA：
364k-->HSDPA/HSUPA：
14.4M-->HSDPA+/HSUPA+：
42M-->LTE：
300M。
由于目前的WCDMA网络的升级版HSPA和HSPA+均能够演化到LTE这一状态，包括中国自主的TD-SCDMA网络也将绕过HSPA直接向LTE演进，所以这一4G标准获得了最大的支持，也将是未来4G标准的主流。
该网络提供媲美固定宽带的网速和移动网络的切换速度，网络浏览速度大大提升。
5.2LTE-Advanced
LTE-Advanced：
从字面上看，LTE-Advanced就是LTE技术的升级版，那么为何两种标准都能够成为4G标准呢？
LTE-Advanced的正式名称为FurtherAdvancementsforE-UTRA，它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。
LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。
LTE-Advanced的相关特性如下：
带宽：
100MHz
峰值速率：
下行1Gbps，上行500Mbps
峰值频谱效率：
下行30bps/Hz，上行15bps/Hz
针对室环境进展优化
有效支持新频段和大带宽应用
峰值速率大幅提高，频谱效率有限的改进
如果严格的讲，LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。
LTE-Advanced的入围，包含TDD和FDD两种制式，其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。
移动主导的TD-SCDMA网络期望能够直接绕过HSPA+网络而直接进入到LTE。
5.3WiMax
WiMax：
WiMax（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess），即全球微波互联接入，WiMAX的另一个名字是IEEE802.16。
WiMAX的技术起点较高，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。
对无线网络来说，这确实是一个惊人的进步。
WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G那么实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高，这也是未来移动世界和固定网络的融合趋势。
802.16工作的频段采用的是无需授权频段，围在2GHz至66GHz之间，而802.16a那么是一种
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